单聚合物复合材料的研究进展

SPCs与传统纤维增强复合材料相比，优点是把两种化学组分相同、物理性质不同的材料复合在一起，不需要添加改性纤维，可得到优良的界面结合强度，制备工艺简单、产品密度小、回收利用率高。

如果SPCs的基体和增强体属于同一种结构形态的聚合物，熔融温度相同，在常规聚合物加工熔融温度条件下，在基体中的增强体也往往熔融而失去原来的形态，制品达不到复合材料的结构和力学性能。扩大SPCs基体和增强体之间的加工温度范围是SPCs制备的核心问题，也是研究SPCs的难点。研究聚合物流变性能是制备SPCs的关键。根据SPCs的特性发展了复合材料制备方法，目前制备SPCs的方法有热压纤维法、溶液浸渍热压法、纤维缠绕热压法、夹层热压法和共挤出热压法等。

1993年，Hine和Ward等直接热压PE纤维制备了SPCs。实验以熔融纺织生产的高模量PE纤维为原料，在一定温度下使纤维表面部分熔融黏合成型制备SPCs。将PE纤维定向排列在金属模具内，放入热压装置中，预热浸润压力为0.7MPa，10min后加压到21MPa，保持10s后离模冷却。在温度、压力和热压时间等工艺影响因素中，温度的影响最显著。室温下长时间高压所得SPCs的横切强度很小。当热压温度逐渐接近纤维熔点时，产品由白色变为透明。力学测试实验表明，在138℃下热压而成的SPCs综合性能最好。

1994年，Kabeel和Olley等进一步研究了由PE纤维制备SPCs的表面熔融情况和结晶结构。结果表明，在138℃下热压，纤维表面有9%熔融填充到纤维的空隙中，纤维形成六边形截面，界面性能良好。纤维直接热压法制备SPCs，在一定温度下，纤维表面部分熔融固化成型。制备的SPCs具有良好的力学性能，但是，制备工艺对温度控制要求严格。

2006年，Yao和Li等利用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的慢结晶性质热压制备了PET SPCs，其界面性能好，力学性能较纯PET显著提高，温度窗口扩大到70℃。在低于聚合物熔点的温度聚合物没有结晶，仍保持着可流动的状态，这就是聚合物流变的过冷性质。在制备SPCs时，利用聚合物的过冷性质扩大基体与纤维增强体之间的熔融温度差，在过冷状态的基体中加入纤维增强体，在此温度下增强体不会熔融。利用聚合物流变的过冷性质制备SPCs。

1998年，Lacroix和Werwer等用溶液浸渍热压法，制备了PE-UHM纤维增强PE-LD材料的SPCs。溶液浸渍热压法是将增强纤维在基体溶液或粉末中浸渍后制成预浸料胚，之后模压制备SPCs的一种方法。当纤维表面浸润了基体溶液时，纤维表面的分子链即可与基体表面的分子链发生缠绕进而结晶，形成了纤维和基体之间的连接层，由此制成SPCs。基体的厚度与浸渍溶液的浓度和浸渍时间成正比。溶剂浸渍热压法利用有机溶剂对聚合物基体材料的溶解作用，在浸渍条件下，使基体材料包覆在纤维表面，不要求基体熔融，具有低黏度，但是需要选择合适的溶剂。此种方法需要用到大量聚合物溶剂且制备过程中存在溶剂挥发现象，对环境造成一定影响。另外，回收溶剂需要耗费大量资金。这些缺点制约了浸渍热压法制备SPCs的发展。

2004年，Hine和Astruc等用纤维缠绕热压法制备了PEN SPCs。在金属盘模具上，用PEN纤维单向缠绕后再垂直缠绕，保证缠绕的对称性。在模具中心用热电偶控制温度变化。在热压装置的金属盘间放置缠绕好的纤维，恒温稳压制备PEN材料的SPCs。研究了温度对产品性能的影响。研究结果表明，制备的PEN SPCs性能均高于相同方法制备的PET材料SPCs。

2008年，Hine和Olley等通过薄膜层压法制备了PP单聚合物复合材料。工艺是将单层PP夹在PP织布中间，在金属模具内热压成型。PP纤维表面部分熔融，相互黏合重结晶形成复合材料的基体，未熔融的纤维部分成为复合材料的增强相。该工艺的优点是纤维和基体之间有较好的兼容性，达到很好的浸润和渗透效果，在纤维表面形成了均匀的基体相。但是，与其他方法相比，对温度的控制要求更加严格。

2006年，Alcock和Cabrera等将共挤出的PP带缠绕在模具上，分别热压制备了PP SPCs，研究了加工温度对PP单聚合物复合材料力学性能的影响。研究结果表明，在140~160℃温度范围内，加工温度对复合材料的拉伸强度和模量几乎没有影响。由此可见，共挤出热压法具有较大的加工温度窗口。

这些制备方法都是深入研究聚合物材料的流变性能，利用聚合物材料的不同流变特性研发的新技术。由于本书篇幅的限制，没有展开介绍SPCs的研究进展，有兴趣的读者可阅读陈晋南和王建等人SPCs研究的综述文章和代攀、赵增华和毛倩超的博士论文，以及国外有关SPCs的综述文章。1989年，在英国利兹的布拉德福德大学(University of Bradford)建立了高分子跨学科研究中心(Polymer Interdisciplinary Research Centre，Polymer IRC)，该中心与世界各国建立了广泛的合作关系。在国内建立了英国—中国先进材料研究所^[22](UK—China Advanced Materials Research Institute)，每年召开一次国际会议。

2009年，在四川成都召开的中英国际合作IRC会议上，Unwin，Hine和Ward介绍了国外单聚合复合材料制作的产品已经用于汽车内装饰、汽车底盘、旅行箱包和板材等生活的方方面面，这些应用产品制备的方法主要是热压法。图10.1.1至图10.1.4给出国外SPCs一些应用的实例。(www.xing528.com)

图10.1.1 SPCs薄膜和管材

图10.1.2 SPCs运动器材和生活用品

图10.1.3 SPCs汽车部件

图10.1.4 SPCs箱包

SPCs有广阔的应用前景，北京理工大学化学与化工学院愿意与企业合作，共同深入研究SPCs连续成型工艺和研发相应的设备，实现我国工业化生产SPCs材料，为实现中国强国梦添砖加瓦。

2008年9月底，在北京化工大学召开的“两岸三地先进成型技术与材料加工研讨会”上，陈晋南与美国佐治亚理工大学(GT)材料科学与工程学院姚冬刚教授相识，开始了近10年的BIT与GT的两校合作，共同研发制备SPCs的新工艺、新材料和新技术。

2009年3月初，陈晋南和姚冬刚确定陈晋南博士生代攀的研究课题为《利用聚合物过冷熔体制备单聚合物复合材料的研究》。2009年9月到2010年9月，代攀获得国家留学基金委资助，到GT联合培养。在国内，2011年，代攀等首次用热压法制备了PP SPCs和PEN SPCs。同年，陈晋南的博士生赵增华首次研发了冷模压烧结法制备聚四氟乙烯(PTFE)SPCs的工艺。

针对SPCs的制备不能连续生产、精度低和形状单一，以及单聚合物复合材料加工方法存在的制备周期长、加工温度难以控制、生产效率低等缺点，BIT与GT合作开始研究单一组分SPCs的连续成型工艺。博士生毛倩超获得国家留学基金委的奖学金，于2012年10月，赴GT联合培养，两校共同研发了PP SPCs和HDPE SPCs的注塑成型工艺，制备了PP SPCs和HDPE SPCs。

在国内外核心期刊和国际会议上，陈晋南课题组发表有关单聚合物复合材料的30多篇论文。这里仅给出部分论文的目录，其中不少论文被SCI和EI所收录，创新的成果申请了专利。这一系列的研究成果都是应用聚合物流变学与现代计算技术、实验研究结合的成果。